El mundo que conocemos se ve muy bien a colores. A todos nos gusta contemplar los campos verdes, el cielo azul o las flores de diferentes colores. Pero no solo la naturaleza es colorida. Nos gustan tanto los colores que los queremos capturar en nuestros objetos; deseamos pintar nuestras casas, teñir nuestra ropa, imprimir fotografías brillantes, tener una televisión a colores, comer alimentos de buen color. La química y la física son las ciencias que nos dan las herramientas para hacer casi cualquier color y ponerlo en el lugar que más nos agrade. El estudio de los colores ha sido muy profundo, sin embargo, como en cualquier área de las ciencias, siempre queda algo por hacer.
¿Qué es la luz?
La luz visible para los seres humanos es una parte muy pequeña del espectro electromagnético. La luz, un fenómeno complejo, está compuesto de fotones (del griego, φοος, luz) que tienen propiedades mecánico-ondulatorias, esto es de onda (como la de las olas en el mar) y de partícula (como una canica diminuta), que llevan una energía definida. Los diferentes tipos de radiaciones se dividen según su longitud de onda y son: ondas de radio (1Mm-30cm), microondas (30cm-1mm), infrarrojo (1mm-700nm), espectro visible (700nm-400nm), ultravioleta (400nm-10nm), rayos X (10nm-10pm), rayos gamma (γ, 10pm-1pm) y rayos cósmicos (1pm-1fm).
¿Qué es el color?
El color es la interpretación que nuestro cerebro le da a los fotones de luz de diferente longitud de onda. Para que el color exista se necesitan dos cosas: luz que provenga de un objeto y una persona que pueda ver esa luz. Sí no están presentes ambas, el color no existe, porque el color no es una propiedad de las ondas electromagnéticas.
Descomposición de la luz blanca.
Hay varias formas de producir colores: puede sr por descomposición de la luz blanca, por absorción de luz o por emisión de luz. En el primer caso no es muy importante con que sustancia esté interactuando la luz, pero en los dos últimos casos sí importa mucho la estructura atómica y molecular de la sustancia. ¿Porqué el cielo es azul? No es porque refleje el color del mar, sino por dispersión de la parte azul de la luz. Esto es provocado por un fenómeno llamado dispersión de Raleigh, que se manifiesta cuando una onda interactúa con una partícula que es menor de un décimo de su longitud de onda, es decir, al llegar a la luz del Sol a la Tierra, choca con las moléculas del aire de nuestra atmósfera, que son principalmente oxígeno (O2) y nitrógeno (N2); estas moléculas dispersan la luz azul con más fuerza y, en lugar de seguir su camino, se desvía y llega a nuestros ojos.
También se pueden ver colores por interferencia; como los colores tienen diferentes longitudes de onda, al reflejarse en la superficie de un objeto transparente y delgado, algunos pueden tener interferencia destructiva y la luz sale de un color diferente. Este fenómeno ocurre en las burbujas de jabón, en las manchas de aceite sobre el agua y en las cubiertas antirreflejantes de los vidrios. También se producen colores por interferencia cuando se refleja la luz en objetos con estructuras muy pequeñas, como las plumas de las aves, en particular las del pavorreal, que tienen unos diseños muy elaborados, producidos solo por interferencia, pues las plumas únicamente tienen un pigmento negro.
La difracción es quizá la forma más conocida de descomposición de la luz. Este fenómeno consiste en que la luz se desvía en cierto ángulo al atravesar una sustancia. Los colores de la luz blanca se separan porque cada uno se desvía en un ángulo diferente. Esto se observa cuando la luz del Sol atraviesa las gotas de lluvia formando un arco iris, pero debido a que se requiere que la luz se refleje por el interior de la gota, sólo podemos ver un arco iris si tenemos al Sol a nuestra espalda.
En todos los casos anteriores no importa realmente de que está hecha la sustancia con la que interacciona la luz; en la dispersión solo importa el tamaño de la partícula, sea de N2 o O2; en la interferencia da lo mismo si la superficie es una burbuja de jabón o una mancha de aceite, y en la difracción es irrelevante si el prisma es de vidrio o de plástico. Aquí no hay absorción ni emisión de luz; recordemos que en estos dos casos sí es muy importante la sustancia de la que estamos hablando.
Absorción de luz.
Una sustancia puede absorber radiación si su energía corresponde exactamente a la necesaria para que suba a un nivel de mayor energía. Los fotones de la luz visible generalmente tienen la energía suficiente para que los electrones de una sustancia suban a un nivel más energético. Pero un electrón en un átomo o una molécula no tiene permitido absorber cualquier cantidad de energía. Como los fotones de luz de cada color tienen diferente energía, una sustancia puede absorber unos colores y otros no. Pensemos en una hoja de un árbol que todavía este verde: recibe luz blanca y nosotros la vemos verde. Esto significa que está llegando luz verde desde la hoja hasta nuestros ojos, pero la luz blanca es una mezcla de todos los colores, ¿qué les pasó a los demás colores si solo vemos el verde? La respuesta es que fueron absorbidos por la hoja; el verde no se absorbe y se refleja a nuestros ojos.
Con esto en mente respondamos a la siguiente pregunta: ¿por qué el mar es azul? Muchos creen que es por reflejo del cielo, pero no es así. El agua se ve azul en grandes cantidades porque de todos los colores que componen la luz blanca, el que menos se absorbe es el azul; esta absorción es causada por las vibraciones moleculares. Las vibraciones y los movimientos de las moléculas de una sustancia absorben radiación electromagnética pero regularmente estas vibraciones absorben una parte que no es visible para nosotros. En el agua, estos movimientos moleculares son capaces de absorber radiación incluso en el visible, siendo más intensa para la radiación roja y menor para la azul.
En el caso de las plantas, conocemos las estructuras de las moléculas más comunes que les dan color. Por ejemplo, el color verde es debido a la clorofila; algunos rojos y la mayor parte de los tonos de naranjado y amarillo se deben a moléculas conocidas como carotenoides, y muchos tonos del rojo, azul y morado son causados por las antocianinas.
Las plantas verdes deben su color a la gran cantidad de clorofila que tienen en sus hojas o tallos. Esta molécula es la encargada de absorber la luz que servirá como fuente de energía durante el proceso de fotosíntesis. Una parte muy importante en la estructura de la clorofila es el átomo central de magnesio (Mg), que le brinda muchas de sus propiedades y sin el cual no sería capaz de cumplir su función.
Los carotenoides están presentes en muchas frutas y verduras. Hay más de 700 carotenoides en la naturaleza y uno de los más conocidos es el beta-caroteno, la fuente de la vitamina A y una de las moléculas que le dan color a la zanahoria, el melón, el mango, pero también se encuentra en las espinacas y el brócoli. Nuestro cuerpo necesita vitamina A para fabricar el retinal que formará a la rodopsina que es indispensable en la percepción de la luz. Esa es una de las muchas buenas razones para consumir frutas y verduras.
Los carotenoides son producidos por las plantas pero están presentes en muchos animales herbívoros que los consumen. La grasa y la piel del pollo tienen un color amarillo porque el alimento o las semillas que consumen contienen carotenoides. Se encuentra en la grasa porque los carotenoides son sustancias liposolubles. También se encuentran en la carne de salmón y son los causantes de que los flamencos tengan sus plumas rosas, pues deben su color principalmente al α-caroteno y β-caroteno contenidos en su dieta de algas y pequeños animales acuáticos.
Las antocianinas se encuentran, principalmente, en las flores y los frutos a los que imparten un amplio rango de colores. Hay más de 300 moléculas en este grupo. La col morada tiene muchos compuestos a los cuales debe su color tan intenso, básicamente antocianinas. Cuando estas antocianinas se someten a un cambio de pH cambian de color. Este cambio es provocado por una pequeña modificación en la estructura de la antocianina. Un ácido puede ceder un átomo de hidrógeno a la antocianina y una base puede quitarle uno; estas reacciones cambian su distribución de electrones y provocan un cambio de color. Muchos otros compuestos son capaces de cambiar de color al variar la concentración de hidrogeniones en la solución y se usan en química como indicadores.
Dejemos las plantas por un momento para hablar de nosotros mismos. ¿A qué se debe el color rojo de la sangre? En nuestra sangre circulan muchas células conocidas como eritrocitos o glóbulos rojos, en los que hay una molécula muy grande que se encarga de transportar el oxígeno desde nuestros pulmones hasta todos los rincones de nuestro cuerpo: la hemoglobina. La hemoglobina es una proteína que tiene en su interior un fragmento conocido como grupo hemo, que es el causante de su color rojo, el cual tiene un átomo de hierro (Fe) en el centro del anillo de protoporfirina IX, encargado de unirse a la molécula de oxígeno. Si compramos la estructura de la clorofila con la del grupo hemo, notaremos un enorme parecido. El hecho de que una sea verde y el otro rojo se debe, principalmente al cambio de metal en el centro de la estructura.
Los metales, de manera muy especial los conocidos como metales de transición, pueden impartir un color muy intenso a los compuestos en los que participan y pueden colorear una sustancia aunque estén presentes en muy poca cantidad. Muchos minerales deben su color a pequeñas cantidades de estos metales. Un ejemplo es el berilo (silicato de berilio y aluminio Be3Al2 (SiO3)6), que es un mineral incoloro cuando está en estado puro y cristalino, pero cuando esta impuro, tiene muchos colores que van desde el azul pálido hasta un morado intenso, y que puede formar cristales muy bellos y apreciados, como la esmeralda, aguamarina y rubí.
Antiguamente se solía hacer las pinturas con pigmentos inorgánicos, que son formas puras de algunos minerales o compuestos preparados en los laboratorios. Se usaban oropimente para el color amarillo, rejalgar para el naranja (dos modificaciones cristalinas del sulfuro de arsénico, As2S3), la azurita o malaquita (carbonato básico de cobre, 2CuCO3*Cu(OH)2)para los azules, el naranja cadmio (sulfuro de cadmio, CdS), el verde esmeralda (acetoarsenito de cobre, Cu(CH3OO)2*3Cu(AsO2)2), el cardenillo(acetato de cobre, Cu(OOCH3)2), que es verde, el cinabrio (sulfuro de mercurio, HgS) para el bermellón, la Creta (carbonato de calcio, CaCO3) para el blanco y muchos más. Desafortunadamente, estas sales metálicas no sirven para teñir telas y la mayoría son toxicas. Entre los minerales que se han utilizado como pigmentos para pinturas, merece una mención especial el ultramarino o azul ultramarino (Na8-10Al6Si6O24S2-4), que se extrae de un mineral llamado lapislázuli, que es su forma impura, o del mineral llamado lazurita, que es su forma pura. Durante el Renacimiento, el lapislázuli se llevaba a Europa desde Afganistán, más allá del mar Mediterráneo (de ahí el nombre de ultramarino) y era tan codiciado que valía más que el oro. Lo más importante es que el color azul de este pigmento no proviene de la presencia de ningún metal, sino que el color azul se lo da un fragmento de tres átomos de azufre (S3-)
Para los textiles se utilizaban tintes extraídos de plantas como el índigo, que da un tinte azul, o el palo de Brasil, para teñir de color rojo; otros eran extraídos de insectos, como el carmín, que es un colorante rojo extraído de la cochinilla del nopal, y el púrpura, un tinte extremadamente codiciado, usado solamente por la realeza y el clero, que era extraído de algunas especies de caracoles. Estas sustancias son compuestos orgánicos que no eran accesibles al público en general ya que su extracción era costosa. Hoy el mercado de los colorantes está dominado por los compuestos orgánicos sintéticos. La industria química ha desarrollado una amplia variedad de compuestos para usos muy específicos. Los más importantes son los tintes azo (caracterizados por tener dos nitrógenos unidos N=N), que corresponden a 60 ó 70% de los tintes utilizados en textiles; los tintes de carbonilo (caracterizados por tener un grupo carbonilo C=O), que son segundos en importancia y se adhieren mejor a textiles de algodón; las ftalocianinas (con estructura parecida a la clorofila o el grupo hemo), que son moléculas muy útiles para hacer tintas con colores intensos y duraderos, entre otros. Algunos compuestos inorgánicos son utilizados todavía y no difieren mucho de los usados desde hace cientos o miles de años, como los óxidos de hierro (FeO (OH), Fe2O3, Fe3O4), del cromato de plomo (PbCrO4) el sulfuro de cadmio (CdS), el ultramarino (Na8-10Al6Si6O24S2-4), el negro de humo, que es simplemente carbón y el azul de Prusia (Fe4 [Fe (CN)6]3), por mencionar los más importantes.
Hay veces que los átomos absorben luz de una longitud de onda pero inmediatamente liberan esta energía en forma de luz de otra longitud distinta. Esto es conocido como fluorescencia, y ocurre cuando un electrón toma energía, pasa a una órbita más elevada y luego cae otra vez en varios saltos. Muchas sustancias producen fluorescencia cuando la luz ultravioleta incide sobre ellas. No vemos el ultravioleta, pero podemos observar la energía de bajo nivel que produce.
La cantidad de luz absorbida es proporcional al producto de la concentración, la longitud de paso óptico y el coeficiente de absortividad molar, que es la conocida ley de Lambert-Beer-Bouguer. La absortividad molar (ε) de un compuesto es una constante característica de ese compuesto a determinada longitud de onda. Como la absorbancia es proporcional a la concentración, se puede determinar la concentración de una disolución si se conocen la absorbancia y la absortividad molar a determinada longitud de onda. De ahí la importancia de esta ley, además de que nos muestra la interacción entre la materia y la energía en forma luminosa.
Efecto de la conjugación sobre la λmáx.
Mientras más enlaces dobles conjugados tenga un compuesto, la longitud de onda en la que suceden las transiciones n→π* y π→π* será mayor. Por ejemplo, la transición n→π* de la metilvinilcetona está a 324nm, y la transición π→π* está a 219 nm. Ambos valores son de longitudes de onda mayores que los correspondientes a las λmáx de la acetona porque la metilvinilcetona cuenta con dos enlaces dobles conjugados, mientras que la acetona solo tiene un enlace doble. La λmáx y la absortividad molar aumentan cuando aumenta la cantidad de enlaces dobles conjugados. Así, con la λmáx de un compuesto se puede estimar la cantidad de enlaces dobles conjugados que tiene el compuesto. Si un compuesto tiene los enlaces dobles suficientes absorberá luz visible y el compuesto tendrá color. Con esto en mente, el β-caroteno es una sustancia anaranjada y el licopeno, que se encuentra en jitomates, sandias y uvas rosadas es rojo.
Emisión de luz.
Veamos por último, la producción de colores por emisión de luz. Hay cosas que emiten luz colorida, como las lámparas de alumbrado público que emiten luz amarilla, los láseres o los LEDs de los semáforos modernos. En estos casos no hay absorción de luz de un color, simplemente se producen ciertos colores. El fuego es una reacción química muy vigorosa, es una oxidación muy rápida. En esta reacción se desprende mucha energía en forma de luz y calor. Hay reacciones de combustión que producen mucha luz, como es el caso de la combustión del magnesio metálico. La luz es tan intensa que es difícil mirar a la llama directamente sin lastimarse los ojos. Pero esta luz es casi de color blanco.
Los fuegos pirotécnicos son un espectáculo muy usado en ocasiones especiales. Es común celebrar la noche del 15 de septiembre con un castillo en el cual hay luces multicolores y tal vez hasta una bandera de México que se ilumina con la pólvora ardiente. Para lograrlo, se utilizan compuestos metálicos que se añaden a la pólvora y que, al arder, brillarán de un color en particular. Si se ponen sales metálicas en una llama, cada metal brillará con su color particular.
Es notorio el color tan característico e intenso que imparte el sodio a una llama. Cualquiera que haya cocinado, habrá visto que la sal de cocina (cloruro de sodio, NaCl) vuelve a la llama de color amarillo-naranja. Sí este color se parece al de las lámparas de alumbrado público no es una coincidencia. En el interior de estas lámparas se encuentra un poco de sodio metálico, que con el vapor se evapora fácilmente y brilla con gran intensidad. Estas lámparas son por mucho más efectivas en cuanto a producción de luz se refiere y su número es tan abundante en algunas ciudades que cuando está nublado de noche, las nubes presentan un ligero color naranja, que no es más que el reflejo de la luz producida por ellas.
Sin embargo no todas las reacciones que producen luz van acompañadas de calor. Este tipo particular de producción de luz se llama quimioluminiscencia. El luminol es un compuesto que se oxida lentamente produciendo luz durante el proceso. Otra sustancia que hace lo mismo es el fosforo blanco y la luciferina, esta última es la que tienen las luciérnagas, que les sirve para producir luz y atraer a su pareja. Las personas no usan el luminol para atraer a su pareja, pero lo usamos para la fabricación de tubos luminiscentes, que son comunes en el campismo pues no necesitan pilas.
Como último ejemplo de producción de colores por emisión de luz, veamos cómo se producen los colores en una pantalla de televisión. Toda la pantalla se encuentra dividida en pequeños rectángulos (que son más fáciles de ver en una televisión grande o usando una lupa) cubiertos de tres sustancias diferentes. Estas sustancias no son compuestos puros, sino mezclas de compuestos, que son capaces de brillar de un determinado color cuando son golpeados por uno de los electrones producidos en el tubo de rayos catódicos.
Comentario final.
Se ha estudiado mucho la relación que hay entre la forma de una molécula y su color. Actualmente, con la ayuda de las computadoras es posible saber de qué color es un compuesto antes de sintetizarlo en el laboratorio. Los químicos investigan nuevas sustancias para hacer más colorido nuestro mundo y estudian las ya conocidas. Todavía se buscan compuestos nuevos; unos para colorear nuestros alimentos, otros para que los pigmentos se adhieran con más fuerza al textil y la ropa no se decolore, y otros más que sean económicos y tengan mayores aplicaciones. Hace cien años nuestra sociedad no era tan colorida como ahora y si alguno de ustedes se interesa en el estudio de esta disciplina, sus aportaciones harán que nuestro futuro sea aún más colorido.
